DE1503581B1

DE1503581B1 - Mit Abgasturbo-Aufladung betriebene Zweitakt-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE1503581B1
Application number: DE19651503581
Authority: DE
Inventors: Alexander Garve
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1965-05-04
Filing date: 1965-05-04
Publication date: 1970-12-17
Also published as: NL6605259A; ES326012A1; US3462071A; BE680460A; DK122473B; CH453561A; GB1137087A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Zweitakt-Brennkraft- schlagt. Eine derartige Ausbildung der Verdichtermaschine mit Aufladung durch mindestens ein von beschaufelung zur Verminderung der Austrittsvereiner Abgasturbine angetriebenes Radialgebläse und luste erfordert erheblichen herstellungstechnischen einem anderweitig, z. B. von der Brennkraftmaschine Aufwand. Insbesondere in Phasen des Leerlaufs der selbst angetriebenen Hilfsgebläse, dessen Förderluft 5 Turbinenschaufeln entstehen erhebliche Verluste an in Betriebsphasen des Abgasmangels als Treibmittel einer derartigen, strömungstechnisch schwer zu optidurch eine Zweigleitung mittels Düse über das Ra- mierenden Anordnung.

dialgebläse den Motorzylindern zugeführt werden Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht

kann. darin, die Mängel der bekannten Einrichtungen zu

Es ist bereits eine Brennkraftmaschine mit einem io beseitigen und mit geringsten Zusatzluftmengen den Abgasturbolader bekannt, dessen Verdichterrad Betrieb einer Zweitakt-Brennkraftmaschine mit stabidurch einen Freilauf mit der Verdichterwelle gekup- Ier Betriebsweise des Abgasturboladers zu ermögpelt ist und bei dem nahe dem äußeren Umfang in liehen, um dadurch den Zylindern bei niedriger Beder das Rad abdeckenden Gehäusewand eine Düse lastung und beim Übergang auf höhere Laststufen angeordnet ist. Diese ist über eine Leitung mit einem 15 sofort die für einwandfreie Verbrennung ohne AbVentil an eine Druckluftquelle angeschlossen, das gastrübung erforderlichen Luftmengen liefern zu beim Starten oder bei einer Beschleunigung geöffnet können.

wird. Beim Durchströmen der Düse wird dann der Diese Zielsetzung gelingt erfindungsgemäß dahohe Druck der Luft in Geschwindigkeit umgesetzt durch, daß Düsen über den ganzen äußeren Umfang und somit das Laufrad mit einem Luftstrahl hoher 20 des Gebläselaufrades angeordnet sind und die Treib-Geschwindigkeit »angeschossen«. Infolge des damit mittelluft eine alle Laufradaustrittsöffnungen vererzeugten Drehimpulses wird das Laufrad von seiner engende Strahlklappe bildet.

Welle gelöst und erreicht so schneller eine höhere Mit diesen Maßnahmen wird nun nicht nur die

Drehzahl, bei welcher es eine größere Luftmenge bei Einstellung beliebiger stabiler Betriebsgrößen in dem

höherem Druck liefert. Hierbei ist also lediglich eine 25 Kennfeld eines gegebenen Radialverdichters ermög-

intermittierende Betriebsweise möglich, d. h., es läßt licht, es wird darüber hinaus —· wie Kennfeldaufnah-

sich nicht kontinuierlich ein bestimmter Betriebs- men gezeigt haben — der stabile Betriebsbereich

punkt im Kennfeld des Verdichters einstellen und ein eines Radialverdichters überhaupt erweitert, d. h. die

Beharrungszustand aufrechterhalten. Außerdem wird Pumpgrenze weiter nach links verschoben. Die mit

die Energie des Hilfstreibmittels nur mit einem 30 der Strahlklappe erzeugte Drosselung am Austritts-

schlechten Wirkungsgrad ausgenutzt. Denn um über- ende des Laufschaufelkanals wirkt ähnlich wie bei

haupt einen wirksamen Drehimpuls zu erzeugen, muß den Verdichterlaufrädern mit gegen den Austritt hin

der Strahl eine große Geschwindigkeit (c₃). die züge- verjüngten Kanalquerschnitten. Durch Veränderung

führte Luft also"einen hohen Druck haben. Da min- der Treibmittelmenge kann jedoch erfmdungsgemäß

destens zu Beginn einer Beschleunigung die Drehzahl 35 diese Drosselung beliebig eingestellt werden. Für

des Rades und dementsprechend die Umfangs- den Betrieb einer Zweitakt-Brennkraftmaschine

geschwindigkeit (μ) gering ist, ergibt sich ein kleiner haben diese Wirkungen zur Folge, daß der Abgas-

w/c_a-Wert und dementsprechend ein geringer Wir- turbolader auch im Teillastbereich mit geringstem

kungsgrad. Bedarf an Fremdenergie (d. h. Nicht-Abgasenergie)

Ferner ist ein radialdurchströmtes Ladegebläse für 40 störungsfrei betrieben werden kann, so daß nicht nur die Aufladung von Druck-Kabinen, z. B. "von Flug- die Energieverluste in diesem Bereich, sondern überzeugen, mit einer Einrichtung zur Verhinderung der haupt der Investitionsaufwand für das Hilfsgebläse Aufheizung der Luft bei geringer Differenz zwischen und die Steuer- und Regeleinrichtungen reduziert dem Innen- und dem Außendruck bekannt, bei dem werden.

ebenfalls nahe dem Umfang des Laufrades in der 45 Mit Vorteil ist zur Einführung der Treibmittelluft Gehäusewand Düsen angeordnet sind, durch welche eine Ringspaltdüse vorgesehen. Strömlingstechnisch jedoch zur Entlastung des Antriebes Luft in die besonders günstig wird die Treibmittelluft mit einer Laufschaufelkanäle eingeblasen wird. Die dieser Luft Radialkomponente eingeführt. Besonders bei Verinnewohnende Energie ist aber dem Laufrad selbst in Wendung beschaufelter Düsen kann der Raum zwider Weise entnommen, daß bei geringem Druck- 50 sehen Gebläseeiiilauf und Sammelraum als Verteilerunterschied der Verdichtereinlauf ganz oder fast ganz raum für die Treibmittelluft ausgebildet sein,
geschlossen wird, so daß am Laufradumfang ein Die Einströmrichtung der Treibmittelluft wird so-Ünterdruck entsteht. Dieser bewirkt das Ansaugen mit zweckmäßig unter dem Gesichtspunkt der größtatmosphärischer Luft durch den Verdichtereinlauf möglichen Impulskraft bei geringsten in radialeinüber einen Nebenkanal mit Rückschlagklappe in 55 wärtiger Richtung abgelenkten Treibmittelmengen einen schneckenförmigen Verteilkanal und von hier festgelegt.

zu den Düsen, bei deren Durchströmung infolge Ent- Gegenüber einer bekannten Anordnung, bei der

spannung eine Temperaturabsenkung eintritt und da- die Abgasturbine mit einem besonderen Düsen-

durch der Arbeitsaufwand vermindert wird. Die Um- segment für den Durchsatz von Luft als Hilfstreib-

fangskomponente der Geschwindigkeit der einströ- ⁶° mittel versehen ist, um bei ungenügender Abgas-

menden Luft kann hierbei jedoch nicht größer sein energiezufuhr die Laderdrehzahl zu erhöhen oder bei

als die Umfangsgeschwindigkeit der Laufschaufeln Lastzunahme schneller zu beschleunigen, ergibt sich

im DüsenbereiclCso daß diese Luft keine treibende mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Vorteil,

Wirkung auf die Laufschaufeln ausüben kann. daß die eingeführte antreibende Zusatzluft der Spül-

Aus der deutschen Patentschrift 539 910 ist es be- 65 und Aufladeluft für den Motor beigemengt wird. Das kannt, daß von einer durch die Brennkraftmaschine Abblasen von überschüssiger Luft ist somit niemals angetriebenen Luftpumpe erzeugte Druckluft eine am erforderlich. Auch bei hoher Brennkraftmaschinen-Gebläse angebrachte Turbinenbeschaufelung beauf- leistung kann nämlich noch vom Hilfskompressor

geförderte Luft über den Radialverdichter dem Motor zugeführt werden und gelangt nach Arbeitsleistung in den Zylindern als heißes Abgastreibmittel zur Turbine. Schließlich ist ein weiterer Vorteil auch darin zu sehen, daß die beim bekannten Luftantrieb infolge unterschiedlicher Temperatur und verschiedener Drücke der beiden Treibmittel bestehende Gefahr der Schwingungsbrüche an Turbinenschaufeln vermieden ist.

Gegenüber einer anderen bekannten Anordnung, bei der in der Druckleitung nach dem Verdichter ein Injektor angeordnet ist, dem von einem Hilfskompressor geförderte Luft als Treibmittel zugeführt wird, um hinter dem Ladegebläse eine Druckabsenkung und damit eine Entlastung des ganzen Turboladers zu erzielen, hat die Anordnung nach der Erfindung folgende Vorteile: In der Ladeluftleitung sind keine im Normalbetrieb störende Einbauten vorhanden. Die Ladeluftleitung braucht nicht zur Erzielung eines brauchbaren Injektorwirkungsgrades verändert, insbesondere verlängert oder eingeschnürt zu werden. Außerdem wird die Zeit vom Beginn einer Beschleunigung bis zum Erreichen der höheren Drehzahl zweifellos kürzer, wenn die zusätzliche Treibmittelluft einen direkten Impuls auf den zu beschleunigenden Rotor des Ladegebläses ausübt.

Die zu den folgenden Ausführungsbeispielen gehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 den Meridianschnitt durch einen Radialverdichter mit einer Ringspaltdüse,

F i g. 2 einen Meridianschnitt durch einen Radialverdichter mit einer beschaufelten Düse,

F i g. 3 den Schnitt III-III der F i g. 2, in die Zeichenebene abgewickelt,

Fig. 4 das Strömungsbild beim Auftreffen eines Strahles auf eine radiale Laufschaufel,

F i g. 5 ein Schaltschema über die Anwendung des Verdichters nach der Erfindung beim Abgasturbolader einer mit Aufladung betriebenen Zweitakt-Brennkraftmaschine.

In den F i g. 1 bis 4 bezeichnet 1 einen als Gebläse ausgebildeten Radialverdichter mit dem Gebläseeinlauf 2, dem auf der Welle 5 befestigten Gebläselaufrad 3 mit Laufschaufeln 4, dem Diffusor 6 und dem Sammelraum 7. Das Gebläselaufrad 3 wird von der inneren Gehäusewand 8 abgedeckt, die mit der inneren Gehäusewand 9 den Raum 10 einschließt.

In der Innenwand 8 ist nun nahe dem äußeren Umfang des Gebläselaufrades 3 eine Luftdüse für die Einblasung von Luft zur Beaufschlagung der Laufschaufeln 4 angeordnet. In der Ausführung nach F i g. 1 dient hierfür eine geschlossene Ringspaltdüse 12 mit einem relativ engen Ringspalt, die an den Ringkanal 13 angeschlossen ist, in dem durch tangentiales Einführen von aus dem Verteilerkanal 14 durch die Leitungen 15 übergeführter Druckluft eine Umlaufströmung erzeugt wird.

In der Ausführung nach F i g. 2 ist die Ringspaltdüse 12 ersetzt entweder durch eine geschlossene Ringdüse 12 α mit Schaufeln oder durch mehrere Segmente solcher Düsen, die in die Gehäusewand eingelassen sind. In dieser Ausführung ist der Innenraum 10 α hermetisch abgeschlossen und dient zugleich als Verteiler für die Treibmittelluft.

Wie in F i g. 4 angedeutet, trifft die aus der Düse ausströmende Treibmittelluft unter dem Winkel α auf die Laufschaufeln 4 auf. Dieser Winkel α ist so bemessen, daß bei größtmöglicher Impulskraft der größte Teil der Treibmittelluft in Richtung des Pfeiles»α« radial nach außen und die geringste Menge in Richtung des Pfeiles »δ« radial einwärts umgelenkt wird.

Bei Zentrifugalverdichtern stellen sich bekanntlich, wie in F i g. 3 mit + und — angedeutet, auf der in Umlaufrichtung vorne liegenden Seite einer jeden Schaufel höhere Drücke ein als auf der Rückseite. Dies kann bei zu hohen relativen Gegendrücken zum »Umspringen« der Strömung führen. Mit der Einführung von Druckluft etwa gleichen Druckes wie auf der Schaufelvorderseite wird zugleich dieses Gebiet geringeren Druckes aufgefüllt und somit der instabile Betrieb unterbunden, außerdem der Verdichterwirkungsgrad verbessert, wodurch ganz besonders gewichtige Vorteile erreicht sind. Der in F i g. 2 ersichtliche Pfeil »α« der Zusatzströmung läßt die Wirkung dieser Druckluftstrahlen auch als Strahlklappe erkennen, wodurch eine Drosselung des Austrittsquerschnittes »Fa« eines jeden Kanals erreicht wird, die ebenfalls zur Verhütung des Pumpens beiträgt.

Fig. 3 zeigt unten, wie die freien Seiten der Schaufeln 4 α zur Verminderung des Eintrittsstoßes entgegengesetzt zur Umlaufrichtung abgebogen sein können.

Fig. 5 schließlich zeigt die Anwendung des Radialverdichters nach der Erfindung bei einer mit Abgasturboaufladung betriebenen Zweitaktbrennkraftmaschine 21, deren Abgase im Sammler 22 gesammelt und einer Abgasturbine 23 zugeführt werden.

Diese treibt das gemäß F i g. 1 oder 2 ausgebildete Radialgebläse 24 an, welches durch den Ansaugstutzen 25, die Druckleitung 26, den Kühler 27 und die Leitung 28 in den Spül- und Ladeluftsammler 29 fördert, von wo diese Luft in die Zylinder der Brennkraftmaschine 21 gelangt.

Der untere Zylinderteil ist hierbei als Kolbenunterseitenpumpe 30 ausgebildet. Die von dieser geförderte Luft gelangt über die Druckleitung 31 und das Ventil 32 zu den hier nicht dargestellten erfindungsgemäßen Treibdüsen des Verdichters 24. Gegebenenfalls kann ein Teil dieser Luft auch über Leitung 33, Kühler 34 und Leitung 35 mit in den Sammler 29 gefördert werden. Statt der Kolbenunterseitenpumpe 30 kann aber auch ein beliebiger Kompressor vorgesehen werden, der an die Leitung 36 mit dem Ventil 37 anzuschließen ist. Falls der Verdichter auch durch Abblasen von Druckluft geregelt werden soll, dann kann das Abblaseventil 38 über die Leitung 39 (wie mit gestrichelten Linien angedeutet) mit der Leitung 36 verbunden werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Zweitakt-Brennkraftmaschine mit Aufladung durch mindestens ein von einer Abgasturbine angetriebenes Radialgebläse und einem anderweitig, z. B. von der Brennkraftmaschine selbst angetriebenen Hilfsgebläse, dessen Förderluft in Betriebsphasen des Abgasmangels als Treibmittel durch eine Zweigleitung mittels Düse über das Radialgebläse den Motorzylindern zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Düsen (12, 12 a) über den ganzen äußeren Umfang des Ge-

bläselaufrades (3) angeordnet sind und die Treibmittelluft eine alle Laufradaustrittsöffnungen verengende Strahlklappe bildet.

2. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung der Treibmittelluft eine Ringspaltdüse (12) angeordnet ist.

3. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Treibmittelluft mit einer Radialkomponente eingeführt ist.

4. Zweitakt-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen Gebläseeinlauf (2) und Sammelraum (7) liegender Raum (10) als Verteilerraum für die Treibmittelluft ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen